水文監測技術在明渠水量自動監測中的應用

□陳楠（河南省水文水資源局）

水文監測技術在明渠水量自動監測中的應用

□陳楠（河南省水文水資源局）

2011年11月，國家水資源監控能力建設項目在全國范圍內實施。項目著重開展取用水戶特別是中型以上灌區渠首取水監測工作。項目建設后水量監測站點大量增加，為減輕項目運維資金及人員壓力，項目建設中以先進的測報與網絡技術為基礎，采用在線自動監測的方案。文章著重介紹可利用在明渠水量自動監測站中的水位-流量關系法、垂線流速分布模型（單垂線）法兩種水文自動監測方案的基本原理、適用條件、測站結構等相關技術要求。

水文；監測；明渠；水量；自動

1 引言

2012年9月，為實行最嚴格的水資源管理制度，實現“三條紅線”的考核目標，國家水資源監控能力建設項目在全國范圍內實施。水利部、財政部明確項目按照“三年基本建成、五年基本完善”的總體部署，分兩個階段開展實施，一期項目已基本建成；二期項目計劃進一步提高農業用水監控比例，為了減輕日后運行維護壓力，二期建設采用“無人值守、有人看護、巡測管理”模式進行建設，在灌區渠首建設一批流量自動監測站，實現數據自動采集、長期自記、自動傳輸。

文章論述了水位-流量關系法、垂線流速分布模型（單垂線）法兩種可應用在明渠流量自動監測中的水文監測技術。

2 水位-流量關系法監測方案

2.1 基本原理

根據渠道監測河段的水位、斷面等資料，利用曼寧公式計算不同水位及下的斷面平均流速和流量，建立水位-流量關系曲線，再根據實測流量對計算的水位-流量關系進行率定。

式中：Q-流量，m3/s；A-斷面平均流速，m2，A=f（h）；V-斷面平均流速，m/s；n-河床糙率；R-水力半徑（m），（R=A/X，即過水斷面面積A與濕周X之比）；I-水面比降。

2.2 適用條件

適用于人工渠道、水位-流量關系穩定的標準斷面：測流斷面上下游渠道應順直，無明顯擴散或收縮；河床穩定，坡度應均勻，無沖淤變化；糙率應一致，水流應平穩；水位要素糙率有較好的對應關系；不受下游建筑物回水影響。該方案具有工程造價低、安裝方便的特點，但易受環境影響，需要長期率定。

2.3 測站結構組成

浮子式水位計、遙測終端機RTU、太陽能板、蓄電池、充電控制器、GPRS/CDMA、三防箱、簡易測井、防雷設備及接地系統、測井基礎等。

2.4 設備安裝

采用高度5m、直徑φ219 mm的鍍鋅鋼管作為簡易測井的井體，渠道底部澆筑0.50 m×0.50 m×0.50 m的基座（基座頂部與渠道底部高度一致），并澆筑連接法蘭盤的地腳螺栓。井體通過法蘭盤與基座相連。井體中上部應使用安全拉線與地面固定（對于矩形斷面的渠道，井體下部應通過抱箍固定在渠道一側的側壁）。井體下端背水面應開槽以使渠道與側境內水體連通。浮子水位計安裝井體的頂端，實現水位自動監測。設備安裝示意圖見圖1。

圖1設備安裝示意圖

浮子式水位計要求井體垂直，測井直徑足夠安裝水位計、浮子和平衡錘，并保證浮子和平衡錘吊索不纏繞，井內要有防淤積措施。簡易井由于直徑小，防浪效果差，在井底應增設格柵消浪裝置。

3 垂線流速分布模型（單垂線）法監測方案

3.1 基本原理

采用坐底式安裝方法是在渠道監測斷面的渠底部安裝一臺多普勒明渠流量計，監測一條垂線的平均流速。根據斷面的垂線流速分布規律，推算垂線的平均流速，其模型公式如下：

3.2 適用條件

適用于中小河流和渠道的流量自動測量。設備自身的測速能力限制了應用，不適用過淺、流態紊亂和較高含沙量的河流；測流斷面處要有適宜安裝的地點，以減少人為及航運等干擾因素；在實際應用時，寬度在50 m以內的人工渠道用一條測速垂線即可，對于寬度在50 m以上的寬淺河道，建議用兩條測速垂線。該方案設備價格昂貴，且需加裝水位監測設備，工程造價偏高。

3.3 測站結構組成

氣泡式水位計、明渠流量計、遙測終端機RTU和GPRS/CDMA主/備通訊設備等，實現數據的無線傳輸，設備供電方式采用太陽能供電，配置100 W太陽能板一塊和100AH蓄電池。

3.4 設備安裝

氣泡水位計安裝參考浮子水位計安裝方法，氣管置入水下時，應采用鋼管護套，管道較長時應有足夠多的固定支撐，確保不被水流沖擊損壞；水上部分氣管應沿垂直支撐桿固定。明渠流量計采用坐底式安裝，終端箱及電源系統安裝在岸上儀表支架。

明渠流量計安裝在水下水平支撐臂上。水下支撐系統采用不銹構件與熱鍍鋅鋼管結合的方式，采用2 m鋼樁垂直嵌入河底，頂部略高于河底0.10 m左右，以活動關節連接水平支臂一端。水平支臂的另一端連接一20 cm×40 cm的不銹鋼平臺，用以固定流速傳感器。水平支臂的長度可根據水深的大小選擇確定。工作狀態時，水平支臂依靠自重沉臥于河底，當儀器需要檢修維護時，可以通過水平支臂將流速傳感器拉出水面。當水深超過1 m時，應考慮自動沉浮裝置，以便在設備檢修時能夠自動浮出水面。

由于單垂線或雙垂線監測站的功耗較大，所配置的太陽能供電系統需要1～2塊100 AH的蓄電池組，并與RTU等儀器全部集成在三防箱內，因此，必須為室外部分的設備提供牢固可靠的安裝平臺。岸上儀表的裝置建設在監測斷面附近岸上（根據地形條件，不超過5 m范圍內）。采用2根長10 m的標準電力水泥桿，直立在監測斷面附近，埋深2 m。距地面6 m處安裝工作平臺，用于固定儀表箱。水下線纜上岸后與電源線、接地線一并進入水泥桿內部，接入儀表箱內。

明渠流量監測站的電源系統全部采用太陽能供電系統。太陽能板安裝在岸上支架的儀器安裝平臺上，蓄電池組和RTU、充電控制系統等集成在三防箱內。

遙測數據終端RTU與三防箱配套使用，集成在三防箱內。根據安裝的環境分為室內三防箱和室外三防箱，根據安裝方式分為壁掛式和落地式。箱體采用鐵質，外表涂防淺灰色防銹漆，防護等級達到IP54以上。

4 其他

水位-流量關系法監測方案需要根據實測流量資料對理論的水位-流量關系進行修正，垂線流速分布模型法監測方案需要實測流量資料對模型參數進行優化。因此渠道型水量自動監測站完工后需要進行不同水位級的人工比測率定工作。采用人工觀測水位（水深），并符合《水位觀測標準（GB/T50138-2010）》水位觀測要求。按照精測法布設測速垂線和測點，采用流速儀實測過水斷面各測點流速，計算各垂線平均流速、相鄰垂線間平均流速及部分面積，進而計算部分流量及過水斷面流量；采用多項式擬合水位-流量關系曲線公式，并進行推流誤差評定及檢驗，率定流量監測的測速垂線、測點布設及施測符合流速儀法精測法要求，按照要求做好記錄，填寫流量測驗成果表。每一流量系數，應積累不少于30次的實測資料，均勻分布于流量系數相關要素的全變幅內，至少應覆蓋變幅的75%。如果斷面不穩定，不是單一關系曲線，測次要增加。采用多項式進行關系曲線擬合，應符合要求，高水部分延長不應超過實測值所占水位變幅的30%，低水部分延長不超過10%。推流誤差評定及檢驗要求：高中低水率定測次應不少于10次，系統誤差應不大于±2%，隨機不確定度不大于±11%，對各條關系曲線的測點應做符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗。符號檢驗α值采用0.25，適線檢驗α值采用0.05，偏離檢驗α值采用0.10，當三種檢驗均接受原假設時，認定該關系曲線正確、可用。提交的最終水位-流量率定成果可參考《國家水資源監控能力建設項目灌區渠首取水在線監測技術指南》相關要求。

［1］王文川，邱林，徐冬梅，等.工程水文學［M］北京：中國水利水電出版社，2013：39-40.

P332

B

1673-8853（2017）11-0033-02

陳楠（1983.7—），女，工程師，主要從事水文測驗、水文水資源工程建設管理工作。

2017-9-19

編輯：符蕾